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Physical Chemistry भौतिक रसायन (Physical Chemistry)

Lead Storage Battery लेड संचायक बैटरी (Lead Storage Battery)

The lead storage battery is a secondary cell that functions as a galvanic cell during discharge and an electrolytic cell during recharging. It utilizes a lead anode and a lead dioxide cathode submerged in an aqueous sulfuric acid electrolyte. लेड संचायक बैटरी एक द्वितीयक सेल (secondary cell) है जो निरावेशन (discharge) के दौरान गैल्वेनिक सेल के रूप में और पुनरावेशन (recharging) के दौरान विद्युत अपघटनी सेल (electrolytic cell) के रूप में कार्य करती है। इसमें लेड एनोड और लेड डाइऑक्साइड कैथोड का उपयोग किया जाता है, जो जलीय सल्फ्यूरिक एसिड इलेक्ट्रोलाइट में डूबे होते हैं।

UP PGT Chemistry Subject Code 02 B.Sc. / M.Sc. Level

Electrochemical Cell Components विद्युत रासायनिक सेल के घटक (Electrochemical Cell Components)

  • The anode consists of a spongy lead (Pb) grid.
  • The cathode consists of a lead grid packed with lead dioxide (PbO2).
  • The electrolyte is an aqueous solution of sulfuric acid (H2SO4) typically at 38% concentration by mass.
  • The cell potential for a single unit is approximately 2.0 Volts.
  • एनोड में स्पंजी लेड (Pb) की ग्रिड होती है।
  • कैथोड में लेड डाइऑक्साइड (PbO2) से भरी हुई लेड की ग्रिड होती है।
  • इलेक्ट्रोलाइट सल्फ्यूरिक एसिड (H2SO4) का जलीय विलयन होता है, जो आमतौर पर द्रव्यमान के अनुसार 38% सांद्रता वाला होता है।
  • एक एकल इकाई के लिए सेल विभव (cell potential) लगभग 2.0 वोल्ट होता है।

Discharge and Recharge Mechanisms निरावेशन और पुनरावेशन क्रियाविधि (Discharge and Recharge Mechanisms)

  • During discharge, both electrodes are converted into lead sulfate (PbSO4) and water is produced, diluting the acid.
  • During recharge, an external DC source reverses the current, converting PbSO4 back into Pb and PbO2.
  • The density of the electrolyte increases during the charging process as H2SO4 is regenerated.
  • The reaction is reversible, allowing the battery to be used for multiple cycles.
  • निरावेशन के दौरान, दोनों इलेक्ट्रोड लेड सल्फेट (PbSO4) में परिवर्तित हो जाते हैं और जल उत्पन्न होता है, जिससे एसिड तनु (dilute) हो जाता है।
  • पुनरावेशन के दौरान, एक बाहरी DC स्रोत धारा को उलट देता है, जिससे PbSO4 वापस Pb और PbO2 में परिवर्तित हो जाता है।
  • चार्जिंग प्रक्रिया के दौरान इलेक्ट्रोलाइट का घनत्व बढ़ जाता है क्योंकि H2SO4 पुनर्जीवित हो जाता है।
  • यह अभिक्रिया उत्क्रमणीय (reversible) है, जिससे बैटरी को कई चक्रों के लिए उपयोग किया जा सकता है।

Operational Characteristics परिचालन विशेषताएँ (Operational Characteristics)

  • The battery is a secondary cell because it can be recharged by applying an external potential.
  • The specific gravity of the sulfuric acid solution is a direct indicator of the battery's state of charge.
  • Internal resistance increases as PbSO4 crystals accumulate on the electrode surfaces.
  • The cell is typically connected in series to achieve higher voltages (e.g., 12V batteries contain 6 cells).
  • यह बैटरी एक द्वितीयक सेल है क्योंकि इसे बाहरी विभव लगाकर पुन: चार्ज किया जा सकता है।
  • सल्फ्यूरिक एसिड विलयन का विशिष्ट गुरुत्व (specific gravity) बैटरी के चार्ज की स्थिति का सीधा संकेतक है।
  • जैसे-जैसे इलेक्ट्रोड की सतहों पर PbSO4 के क्रिस्टल जमा होते हैं, आंतरिक प्रतिरोध बढ़ जाता है।
  • उच्च वोल्टेज प्राप्त करने के लिए सेल को आमतौर पर श्रेणीक्रम (series) में जोड़ा जाता है (उदाहरण के लिए, 12V बैटरी में 6 सेल होते हैं)।
📐 Key Formulas & Equations 📐 महत्वपूर्ण सूत्र एवं समीकरण
Cathode Half-Reaction कैथोड अर्ध-अभिक्रिया (Cathode Half-Reaction)
PbO2(s) + SO42-(aq) + 4H+(aq) + 2e- → PbSO4(s) + 2H2O(l)
Conditions: Discharge mode
शर्तें: निरावेशन मोड
इकाइयाँ: लागू नहीं
Overall Cell Reaction कुल सेल अभिक्रिया (Overall Cell Reaction)
Pb(s) + PbO2(s) + 2H2SO4(aq) → 2PbSO4(s) + 2H2O(l)
Conditions: Discharge mode
शर्तें: निरावेशन मोड
इकाइयाँ: लागू नहीं
Nernst Equation Application नेर्न्स्ट समीकरण अनुप्रयोग (Nernst Equation Application)
Ecell = E°cell - (RT/2F) ln(1/[H+]2[SO42-]2)
Conditions: Dependence on electrolyte concentration
शर्तें: इलेक्ट्रोलाइट सांद्रता पर निर्भरता
इकाइयाँ: लागू नहीं
Anode Half-Reaction एनोड अर्ध-अभिक्रिया (Anode Half-Reaction)
Pb(s) + SO42-(aq) → PbSO4(s) + 2e-
Conditions: Discharge mode
शर्तें: निरावेशन मोड
इकाइयाँ: लागू नहीं
⚠️ Important Exceptions & Anomalies ⚠️ महत्वपूर्ण अपवाद एवं विसंगतियाँ
Exceptionअपवाद Standard galvanic cell electrolyteमानक गैल्वेनिक सेल इलेक्ट्रोलाइट

Observation: H2SO4 concentration change — Unlike Daniell cells, the electrolyte in lead storage batteries is a reactant/product, causing the voltage to drop as the acid is consumed. प्रेक्षण: H2SO4 सांद्रता में परिवर्तन — डेनियल सेल के विपरीत, लेड संचायक बैटरी में इलेक्ट्रोलाइट एक अभिकारक/उत्पाद है, जिससे एसिड के उपभोग होने पर वोल्टेज गिर जाता है।

Exceptionअपवाद Electrode material consumptionइलेक्ट्रोड सामग्री का उपभोग

Observation: Both electrodes form the same product — Both the lead anode and lead dioxide cathode are converted into insoluble lead sulfate (PbSO4) during discharge. प्रेक्षण: दोनों इलेक्ट्रोड एक ही उत्पाद बनाते हैं — निरावेशन के दौरान लेड एनोड और लेड डाइऑक्साइड कैथोड दोनों अघुलनशील लेड सल्फेट (PbSO4) में परिवर्तित हो जाते हैं।

Exceptionअपवाद Recharge efficiencyपुनरावेशन दक्षता

Observation: Sulfation — If left in a discharged state, PbSO4 forms large, hard crystals that are difficult to convert back to Pb and PbO2. प्रेक्षण: सल्फेशन (Sulfation) — यदि बैटरी को निरावेशित अवस्था में छोड़ दिया जाए, तो PbSO4 बड़े, कठोर क्रिस्टल बनाता है जिन्हें वापस Pb और PbO2 में बदलना कठिन होता है।

💡 Shortcuts & Memory Aids 💡 शॉर्टकट एवं स्मरणीय सूत्र
Charge State Indicatorचार्ज स्थिति संकेतक
Density ∝ Charge

Application: High density of H2SO4 indicates a fully charged battery; low density indicates a discharged state. अनुप्रयोग: H2SO4 का उच्च घनत्व पूर्ण चार्ज बैटरी को दर्शाता है; कम घनत्व निरावेशित अवस्था को दर्शाता है।

Anode vs Cathode Mnemonicएनोड बनाम कैथोड निमोनिक
AnOx, RedCat

Application: Anode (Pb) undergoes Oxidation; Cathode (PbO2) undergoes Reduction. अनुप्रयोग: एनोड (Pb) पर ऑक्सीकरण (Oxidation) होता है; कैथोड (PbO2) पर अपचयन (Reduction) होता है।

Product Identificationउत्पाद पहचान
Pb + PbO2 → 2PbSO4

Application: Remember that both sides of the reaction converge to the same product (PbSO4) during discharge. अनुप्रयोग: याद रखें कि निरावेशन के दौरान अभिक्रिया के दोनों पक्ष एक ही उत्पाद (PbSO4) पर अभिसरित होते हैं।

⚖️ Discharge vs Recharge ⚖️ निरावेशन बनाम पुनरावेशन
ParameterपैरामीटरDischargeनिरावेशनRechargeपुनरावेशन
Process Typeप्रक्रिया का प्रकारSpontaneous (Galvanic)स्वतः (गैल्वेनिक)Non-spontaneous (Electrolytic)अस्वतः (विद्युत अपघटनी)
H2SO4 ConcentrationH2SO4 सांद्रताDecreasesघटती हैIncreasesबढ़ती है
Energy Conversionऊर्जा रूपांतरणChemical to Electricalरासायनिक से विद्युतElectrical to Chemicalविद्युत से रासायनिक
🎯 Key Exam Points 🎯 महत्वपूर्ण परीक्षा बिंदु (Key Exam Points)
  • The lead storage battery is a secondary cell.
  • The electrolyte is 38% H2SO4.
  • The cathode is PbO2.
  • The anode is spongy Pb.
  • The cell voltage is approximately 2.0 V.
  • PbSO4 is formed at both electrodes during discharge.
  • लेड संचायक बैटरी एक द्वितीयक सेल है।
  • इलेक्ट्रोलाइट 38% H2SO4 होता है।
  • कैथोड PbO2 होता है।
  • एनोड स्पंजी Pb होता है।
  • सेल वोल्टेज लगभग 2.0 V होता है।
  • निरावेशन के दौरान दोनों इलेक्ट्रोड पर PbSO4 बनता है।
🚫 Common Errors & Confusions 🚫 सामान्य भ्रांतियाँ एवं त्रुटियाँ (Common Errors)
  • Confusing the anode and cathode materials; remember Pb is the anode.
  • Assuming the electrolyte concentration remains constant; it changes significantly.
  • Forgetting that water is produced during discharge, which lowers the acid density.
  • Neglecting the role of external DC current in the recharging process.
  • एनोड और कैथोड सामग्री को भ्रमित करना; याद रखें Pb एनोड है।
  • यह मान लेना कि इलेक्ट्रोलाइट सांद्रता स्थिर रहती है; यह काफी बदलती है।
  • यह भूल जाना कि निरावेशन के दौरान पानी बनता है, जो एसिड के घनत्व को कम करता है।
  • पुनरावेशन प्रक्रिया में बाहरी DC धारा की भूमिका की उपेक्षा करना।